短天窗点间隔临近既有隧道导洞微振爆破研究

文勇

(中铁十八局集团有限公司，天津市 300222)

近距离爆破产生的爆破振动可能会引起既有隧道衬砌结构开裂，对其安全性产生很大的影响。在既有运营铁路隧道正常运行的条件下，新建隧道若要进行爆破开挖施工作业，一方面要确保既有运营线铁路隧道及行车安全；另一方面，新建隧道可利用的爆破施工天窗时间间隔短，而常规爆破作业方法无法同时保障上述两方面要求。因此，有必要提出短天窗点间隔临近既有隧道先行导洞微振爆破网络，即分天窗爆破方案，以解决现有爆破方案振动影响大、施工进度慢、施工成本高等问题。

闫军等通过温州绕城高速公路横山隧道开展现场振动测试，掌握了小净距隧道爆破对邻近隧道二衬结构的影响规律；仇文革等采用LS-DYNA显示动力分析，研究了引水隧洞钻爆法下穿施工对既有铁路隧道的影响，认为单段起爆药量、监测点位置与爆源的距离对既有隧道的影响大小具有直接的关系；朱正国等以南京地铁小净距隧道为例，通过对确保小净距先行隧道安全稳定的后行隧道爆破施工技术的研究，得到了先行隧道衬砌振速随施工过程进行的变化规律；为解决连拱隧道爆破施工对相邻断面二次衬砌造成的影响，周建春等通过开展爆破振动监测和基于衬砌结构安全的现场评估，提供了相应的施工工序优化技术指导现场施工。

尽管国内外学者在爆破荷载施加、爆破振动、爆破应力传播规律、隧道衬砌结构爆破振动安全准则等方面取得了一系列成果，但是对于短天窗点间隔条件下的先行导洞微振爆破方案却未有过研究。因此，该文利用有限元软件对采用此种爆破方案不同进尺下衬砌结构的振速及主应力进行分析，以此验证采用此方案的安全性及合理性。

1 工程概况

福州至平潭铁路新苔井山隧道左、右线均为单洞单线隧道，位于福厦线既有苔井山隧道两侧。左线隧道距既有运营铁路隧道16～35 m，其中最大埋深约78.7 m，全长2 243 m；右线隧道距既有运营铁路隧道8.3～30 m，其中最大埋深约75.5 m，全长2 295 m，且新建隧道与既有隧道间存在1～4 m的高差，新建隧道与既有隧道断面关系如图1所示。

图1 新建隧道与既有隧道断面关系图(单位：m)

2 临近隧道爆破施工数值模型

2.1 爆破施工方案的设计

为不影响既有线正常运营，爆破需在其天窗期进行，既有线天窗期分为两个，且间隔时间较短。短天窗点间隔临近既有隧道先行导洞微振爆破炮孔布置如图2所示。其中，隧道工作面中部设有先行导洞炮孔，周边设有扩挖炮孔、解压炮孔和周边炮孔，底部设有底部炮孔。爆破施工作业过程包括：在天窗期之前完成炮孔布设和钻孔作业，再分别利用两个天窗期，对待挖隧道进行填药布置和爆破。在运营隧道处于第1个天窗期(00:00～00:30)时，对隧道中部的先行导洞炮孔(A部分)实施爆破；在运营隧道处于第2个天窗期(04:00～04:30)时，对隧道周边的扩挖炮孔、解压炮孔、周边炮孔和底部炮孔(B部分)进行爆破。

图2 爆破炮孔布置图(单位：m)

2.2 模型的建立

左线距离既有线最近处结构净距为11.51 m，其相对应的右线与既有线净距为29.955 m，故选取此断面来研究左线隧道爆破施工对既有隧道的不利影响。分析过程中为了弱化边界对数值模拟的影响，模型左右及上下边界分别取3～5倍隧道洞径。最终整个模型尺寸长度138 m，高度84 m，左线隧道内轨顶面高于既有隧道内轨顶面1 m。为避免爆破地震波在边界处反射，在建立模型过程中对边界施加黏弹性边界条件。不同天窗起爆区模型如图3所示。

图3 不同起爆区整体模型

2.3 材料及参数的选取

模拟所选取的分析对象主要地层有3层，围岩等级为Ⅲ级，隧道衬砌为C25整体式混凝土。围岩、衬砌的物理力学参数如表1所示。

表1 围岩、衬砌的物理力学参数

3 爆破对既有隧道衬砌结构的振速影响分析

爆破药量是控制振动速度的重要条件，对于安全运营有着重要意义，且当实际爆破药量小于计算药量时,现场监测爆破振速均不超过控制值。所以为控制既有隧道衬砌的爆破振动速度，左线施工采用的是小进尺，因为施工进尺越大，爆破荷载就越大，爆破振速也就越大。故根据现场情况分别选取1.4、1.5、1.6、1.7 m共4种不同进尺进行分析，以找到同时满足施工进度要求及振动速度限制的最优合理进尺。分析结果主要考虑应力及振动速度两方面。

3.1 不同进尺爆破荷载计算

对于爆破荷载的计算，以往研究采用的计算方法多适用于单孔或者集中装药的情况，而没有将整个爆破面的所有炮孔荷载考虑在内。为使计算结果更加符合现场实际情况，此次计算将整个爆破面考虑在内，并且将掏槽孔与非掏槽孔的荷载计算分开进行。在目前的研究中，关于爆破荷载的简化最主要有两种方式，分别为指数形荷载曲线和三角形波形加载。依据爆破荷载简化理论，爆破荷载可以按照段位不同简化为相应的三角形荷载。第1、2个天窗起爆区爆破荷载可以按照炸药段位简化为6个三角形荷载，爆破荷载直接作用在隧道开挖轮廓线上。

不同进尺第1、第2起爆区爆破荷载如图4所示。

图4 不同进尺爆破荷载时程曲线

3.2 监测点位置

根据上述不同进尺所对应的爆破荷载及相应模型，对不同工况进行分析，监测点位置如图5所示。

图5 监测点位置

3.3 不同进尺下的各监测点振速

不同进尺下的各监测点振速如图6所示。

图6 不同进尺下的各监测点振速图

对比分析不同进尺第1起爆区及第2起爆区振动速度值，可以看出4种工况下第1起爆区各关键点水平方向及竖直方向的振速都要大于第2起爆区，说明第1起爆区爆破对既有隧道衬砌的影响更大；迎爆侧的振速峰值要明显大于背爆侧振速峰值，且迎爆侧最大振速从拱腰位置处向拱顶、拱脚逐渐减小，而背爆侧最大振速则从拱腰向拱顶、拱脚逐步增大。

随着开挖进尺逐渐增大，爆破荷载峰值相应增大，各监测点振速峰值也越来越大。进尺1.4、1.5、1.6、1.7 m所对应的最大振动速度分别为2.75、2.87、3.02、3.18 cm/s。由于运营线衬砌产生破坏是振动速度超过允许值造成的，而进尺1.7 m时迎爆侧拱腰振速已达到3.18 cm/s，超过该工程微差爆破最大振速限值3 cm/s，故选取1.6 m作为合理进尺。

3.4 各监测点振速实测数据

X、Y方向最大振速数值模拟值与现场最大振速实测数据对比结果见表2。

表2 数值模拟与现场监测最大振速对比

由表2可知：数值模拟结果与现场监测数据基本吻合，两者之间的相对误差较小，基本符合要求。

4 爆破对既有隧道衬砌结构的应力影响分析

4.1 不同进尺第一主应力分析

不同进尺各监测点第一主应力如图7所示。

由图7可知：进尺1.4、1.5、1.6、1.7 m所对应的最大主应力分别为1.123、1.189、1.255、1.320 MPa。表明开挖进尺越大，衬砌结构的最大主应力越大，且最大主应力都出现在迎爆侧拱腰位置处，背爆侧拱腰位置次之。

图7 不同进尺各监测点第一主应力图

4.2 合理进尺下的主应力分析

所选定的最优进尺1.6 m下既有隧道最大主应力空间分布图如图8所示。

爆破振动作用下隧道结构首先产生拉伸破坏，由图8可知：合理进尺下，既有隧道第一主应力最大值位于迎爆侧拱腰处，为1.255 MPa，且由拱腰位置向拱顶及隧道底部两侧逐渐减小，背爆侧规律大致相同。根据TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》，最大拉应力值未超过C25混凝土的极限抗拉强度标准值1.78 MPa，说明合理进尺下的分天窗爆破方案是安全、合理、可靠的。

图8 进尺1.6 m既有隧道第一主应力空间分布图(单位：MPa)

新建隧道爆破施工产生的爆破地震波通过与既有隧道间的围岩首先传播到既有隧道迎爆侧，爆破地震波因传播方向和距离不同，在既有隧道迎爆侧产生的爆破施工附加应力随距起爆点的距离增加而减小；既有隧道对新建隧道爆破施工产生的爆破地震波的传播具有一定的阻隔作用，从而消减了爆破地震对远离新建隧道的既有隧道背爆侧的影响。

5 结论

通过分析不同进尺下既有隧道各点的振速及主应力分布情况，得出以下结论：

(1)新建隧道采用先行导洞微振爆破方案进行施工时，先行导洞区相较于扩挖起爆区对既有隧道衬砌的影响更大。

(2)采用合理进尺1.6 m进行微振爆破施工时，临近隧道衬砌结构最大振速仅为3.02 cm/s，处于微振爆破振速限制的合理范围内；迎爆侧拱腰处第一主应力最大值为1.255 MPa，未超过C25混凝土的极限抗拉强度标准值1.78 MPa，故采用优化后的先行导洞微振爆破方案是安全可靠的。

(3)采用1.6 m合理进尺下的先行导洞微振爆破不仅可降低爆破对既有运营隧道产生的振动影响，确保既有铁路行车安全，还可充分利用短天窗期进行施工作业，为以后类似工程提供借鉴。